大氣中大約90%的NH3產(chǎn)生于農業(yè)生產(chǎn)（即牲畜飼養(yǎng)和飼養(yǎng)、化肥生產(chǎn)和糞便儲存等）。許多類型的NH3傳感器已被開發(fā)用于監(jiān)測和檢測NH3。本文重點介紹如何使用納米材料檢測農業(yè)中的NH3。
氨：一種有毒氣體
氨是一種堿性化合物，當它被釋放到空氣中時，會迅速吸附到表面，并且可以傳播到幾百米到數(shù)百英里的距離。NH3也會轉化為氣溶膠顆粒并具有明顯的氣味，在家禽、豬或牛密集的農村環(huán)境中很常見。
NH3是一種具有明顯氣味的無色氣體，即使在低濃度下也是如此。這種氣體通常在有機材料和動物糞便分解后釋放。在農業(yè)工業(yè)中，NH3用于制造氮基肥料，例如硝酸銨、尿素、硫酸銨、尿素-硝酸銨和磷酸二銨。
因為它對人體有毒，美國環(huán)境保護署已將NH3視為有害物質。對人類安全的最大長期（8小時）和短期（15分鐘）氨暴露量分別為25ppm和35ppm。
農業(yè)中對氨氣檢測的需求
為了開發(fā)更好的農業(yè)系統(tǒng)，重要的是要確定導致NH3排放的來源，特別是排放的時間和水平。大多數(shù)NH3傳感器價格昂貴且難以在實際環(huán)境中應用。這些設備的復雜操作給非專業(yè)從業(yè)者帶來了額外的困難。
由于濕度、溫度和干擾氣體的變化，農業(yè)環(huán)境非常復雜，因此需要穩(wěn)定、靈敏、可靠的氣體傳感器。通常，NH3傳感器基于聚合物、金屬氧化物半導體 (MOS) 和納米材料及其復合材料。盡管許多NH3傳感器在實驗室環(huán)境中表現(xiàn)出高靈敏度和準確性，但它們在實際現(xiàn)場條件下表現(xiàn)不佳。
納米材料改善傳感器中的氨傳感特性
采用石墨烯、單壁碳納米管 (SWCNTs)、多壁碳納米管 (MWCNTs)、石墨烯納米帶和還原氧化石墨烯來改善基于聚苯胺 (PANI)的 NH3傳感器的氣敏特性。由于聚苯胺和羧化碳納米管之間的氫鍵，將SWCNTs并入聚苯胺有助于形成結構。這增強了NH3和SWCNTs–OH/PANI復合材料之間的相互作用。帶有羧基功能化的單壁碳納米管用于氨檢測。
盡管MWCNTs很少用于檢測NH3，但研究發(fā)現(xiàn)，包含MWCNTs、聚苯胺和金屬氧化物（例如氧化鋁和氧化鈦）的納米復合材料可顯著改善對氨的傳感行為。除了碳納米管，碳納米纖維（CNFs）也被用于檢測NH3。值得注意的是，CNFs的孔隙率明顯高于MWCNTs，這提升了它們的傳感特性。使用Langmuir-Blodgett方法，在二氧化硅/二氧化硅襯底上的間甲苯甲酸功能化氧化石墨烯可以檢測農田中的氨。
由于周圍空氣中存在氧化干擾氣體（O3和NO2）且濕度水平升高，大多數(shù)實際環(huán)境（例如菜地）中的傳感器無法正常工作。這些缺點被催化轉化法（CCM）克服，使用鉑 (Pt) 納米顆粒催化劑將NH3轉化為二氧化氮(NO2)，并通過高性能NO2傳感器檢測該氣體。
基于差分催化轉化法(DCCM)開發(fā)了一種便攜式、低成本、穩(wěn)定且靈敏的NH3監(jiān)測器。該裝置可有效監(jiān)測農業(yè)部門的氨氣揮發(fā)，消除環(huán)境干擾。該傳感器的關鍵傳感材料是氧化銦 (III) 納米粒子和氧化鎢 (WO3) 納米片。
用于檢測氨氣的不同類型的基于納米材料的傳感器
電化學傳感器
電化學傳感器檢測由于還原吸附到不同材料中而引起的電信號變化。在農業(yè)中，化學電阻材料通常用于根據(jù)傳感元件和氧化還原氣體之間的電荷轉移來檢測還原性或氧化性氣體。
很多時候，這些探測器是使用金屬納米材料和導電聚合物開發(fā)的。聚苯胺納米復合材料的應用，即聚苯胺與碳納米管、石墨烯等碳納米材料的偶聯(lián)，已經(jīng)產(chǎn)生了穩(wěn)定、靈敏、可靠的NH3傳感材料。
基于光譜的傳感器
基于光譜的傳感器穩(wěn)定性高，抗電磁噪聲能力強，運行能耗低。基于吸光度和比色法的傳感器很常見，用于測量NH3衍生化合物。基于吸光度的傳感器最適合大面積連續(xù)監(jiān)測。
對于光譜分析，可提供具有不同測量范圍的試管。盡管0.25和30ppm之間的范圍適合NH3的室內檢測，但它不足以進行室外分析。為了克服這個問題，已經(jīng)開發(fā)了基于納米的薄膜采樣器。例如，已經(jīng)開發(fā)出一種薄的摻雜染料的納米結構聚吡咯薄膜，這表明在光吸收中存在NH3。
基于熒光的傳感器
熒光不常用于測量農業(yè)環(huán)境中的空氣質量，因為很少有相關化合物會發(fā)出熒光。對于基于熒光的傳感，最近人們越來越關注用碳基光致發(fā)光納米材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機染料。
這類傳感器在農業(yè)領域的主要優(yōu)勢是靈敏度高、成本低、便攜性好、設計簡單。據(jù)觀察，光致發(fā)光碳點在低毒性、可負擔性和高生物相容性方面優(yōu)于以前使用的半導體納米材料。熒光 CD 已經(jīng)能夠從固體和液體農業(yè)樣品中測定NH3。在這種情況下，同時進行NH3的提取和熒光標記，然后進行熒光測量。
文章來源：AZO NANO
